付銳費(fèi)鑫

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

液晶空間光調(diào)制器是現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域中最重要、最關(guān)鍵的器件，應(yīng)用在很多系統(tǒng)中，并引起人們廣泛的關(guān)注[1－2]。一般而言，液晶空間光調(diào)制器在信源信號(hào)的控制下，將信源信號(hào)所載的信息載入到光波之中，可對(duì)光波的振幅、相位等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制。市面上液晶空間光調(diào)制器價(jià)格非常昂貴，且只有很少部分支持XGA顯示模式[3]。通過(guò)使用商用液晶屏來(lái)設(shè)計(jì)的液晶空間光調(diào)制器不僅能大幅度降低成本，而且支持XGA顯示模式，同時(shí)可以通過(guò)單片機(jī)芯片直接對(duì)驅(qū)動(dòng)控制電路中的各芯片進(jìn)行寄存器的寫(xiě)操作，硬件的可操作性強(qiáng)。因此，本設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)空間光調(diào)制器的進(jìn)一步研究和制作具有較大的指導(dǎo)意義。

1 液晶空間光調(diào)制器的復(fù)振幅調(diào)制原理

液晶空間光調(diào)制器復(fù)振幅調(diào)制[4]主要包括振幅調(diào)制和相位調(diào)制。其調(diào)制特性主要是利用液晶的電光效應(yīng)，即通過(guò)在液晶盒上施加電壓，改變雙折射效應(yīng)，以此改變讀出光的相位或者振幅。液晶空間光調(diào)制器之所以能夠?qū)獾南辔患罢穹a(chǎn)生調(diào)制，主要是因?yàn)榕で蛄幸壕г诓患与妷簳r(shí)呈扭曲排列，液晶由于電場(chǎng)的作用發(fā)生傾斜。研究者N.Konforti對(duì)這種現(xiàn)象[5]做了如下解釋：當(dāng)施加在液晶盒上的電壓值處于Freedericksz轉(zhuǎn)變閥值、光學(xué)閥值之間時(shí)，液晶分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，雙折射作用減小，但液晶分子并沒(méi)有發(fā)生大幅度的扭曲，此時(shí)的液晶盒同光波導(dǎo)功能相似，主要對(duì)光相位進(jìn)行調(diào)制；當(dāng)施加在液晶盒上的電壓值大于光學(xué)閥值時(shí)，液晶分子沿電場(chǎng)方向排列，同時(shí)液晶分子的光波導(dǎo)與有效雙折射作用都變得很微弱，此時(shí)主要對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。如圖1所示。

圖1 液晶分子電壓區(qū)域

2 液晶顯示屏的特點(diǎn)

液晶屏是液晶空間光調(diào)制器的核心部件，本文主要采用SONY公司的LCX029CNT來(lái)構(gòu)建空間光調(diào)制器系統(tǒng)。LCX029CNT是一款薄膜晶體管液晶顯示屏。材料是扭曲向列液晶，具有90°的扭曲角；它的對(duì)角線長(zhǎng)度是2.3cm，具有 1024(H)×768(V)＝786,432的像素點(diǎn)數(shù)；其光透過(guò)率為16%；它可以支持XGA，SVGA，VGA等多種視頻信號(hào)；具有內(nèi)置的行驅(qū)動(dòng)器和場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器；另外，還具有使得圖像顯示上/下、左/右反轉(zhuǎn)的功能。

液晶顯示屏的輸入端總共包括32個(gè)端口，這些端口主要分為四類，分別為電源信號(hào)類、行場(chǎng)同步信號(hào)類、視頻信號(hào)VSIG類、控制信號(hào)類。四類端口接收驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)，最終將通過(guò)VGA接口輸出的視頻信號(hào)顯示在液晶屏上。

3 硬件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

液晶空間光調(diào)制器的硬件電路通過(guò)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將其分為兩個(gè)部分，包括了驅(qū)動(dòng)電路部分與液晶屏顯示部分。驅(qū)動(dòng)電路[7]部分包括視頻信號(hào)處理模塊、采樣/保持模塊、顯示控制模塊、鎖相環(huán)模塊、單片機(jī)電路模塊、電源模塊。其中，視頻信號(hào)處理模塊和采樣/保持模塊組成了驅(qū)動(dòng)電路的模擬視頻處理部分，鎖相環(huán)模塊和時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器組成了驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)字同步信號(hào)處理部分。圖2是整個(gè)硬件電路的系統(tǒng)框圖。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

前置信號(hào)處理模塊采用CXA2111R芯片，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)RGB信號(hào)的伽馬校正，同時(shí)可以對(duì)增益和偏置進(jìn)行調(diào)整。由于傳輸?shù)碾娦盘?hào)是由光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的，并要求在LCD液晶屏顯示出沒(méi)有失真的原光學(xué)圖像，那么就需要通過(guò)CXA211R對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行伽馬校正，使視頻信號(hào)傳輸特性變?yōu)榫€性關(guān)系。如圖3所示，CXA211R能夠進(jìn)行三點(diǎn)（白電平、黑電平1和黑電平2）增益和位置的伽馬校正，不同的灰度增益的大小及增益曲線的形狀都可以通過(guò)伽馬矯正來(lái)調(diào)整，進(jìn)而保證了顯示出的光學(xué)圖像不失真。

圖3 CXA211R伽馬校正圖

采樣/保持模塊采用CXA3512R芯片，將接收到的經(jīng)過(guò)CXA2111R芯片處理的信號(hào)進(jìn)行采樣。CXA3512R是液晶屏的驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)含線性反轉(zhuǎn)放大器及模擬多路分離器，同時(shí)也含有定時(shí)發(fā)生器和輸出緩沖器；能夠直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，控制像素點(diǎn)，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

鎖相環(huán)模塊采用CXA3106AQ芯片，其是一款專用的鎖相環(huán)芯片，內(nèi)置有振蕩器、充電泵、相位檢測(cè)器和計(jì)數(shù)器，通過(guò)寄存器設(shè)置值可以給計(jì)數(shù)器設(shè)置倍率。將行同步信號(hào)輸入到CXA3106AQ，經(jīng)過(guò)倍頻可以產(chǎn)生系統(tǒng)所需的基準(zhǔn)時(shí)鐘；同時(shí)該芯片還具有功耗低，支持多種顯示模式，支持輸入場(chǎng)同步信號(hào)的頻率范圍為10～100KHz，時(shí)鐘信號(hào)輸出頻率為10～160MHz，能夠通過(guò)SPI接口與控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換等多種功能。

時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生模塊采用CXD3500R芯片，主要用于產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘信號(hào)，芯片具有一個(gè)內(nèi)置的串行接口，通過(guò)單片機(jī)等外部控制可以支持各種分辨率不同的信號(hào)；還支持上/下，左/右反轉(zhuǎn)，同時(shí)還支持線反轉(zhuǎn)和場(chǎng)反轉(zhuǎn)；可以通過(guò)SPI接口與單片機(jī)相連通信，選擇工作模式。

本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為處理器，它是一種功耗較低、性能較高的8位CMOS微控制器，而且具有8K Flash存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器具有在系統(tǒng)可編程特點(diǎn)。這里采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制單元來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)控制電路中的各芯片進(jìn)行寄存器的寫(xiě)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)初始化及控制功能。

電源管理模塊為其他各模塊提供了合適的工作電壓，使各個(gè)模塊能夠正常運(yùn)行。這里主要采用了鴻?？萍奸_(kāi)關(guān)電源為整個(gè)系統(tǒng)供電。該開(kāi)關(guān)電源提供了15V和5V的供電電壓，其中，15V的供電電壓可以通過(guò)線性電源管理芯片LM317M轉(zhuǎn)換成13.5V為液晶屏供電。

這里選取的LM317M是一款三端可調(diào)的正電壓穩(wěn)壓器，共有3個(gè)引腳，包括電壓輸入引腳、電壓輸出引腳及電壓調(diào)節(jié)引腳；其輸出電壓范圍為1.2～37V，負(fù)載電流最大為1.5A；內(nèi)置安全區(qū)保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等保護(hù)電路。

液晶空間光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)最終要在PCB板上實(shí)現(xiàn)。電路板采用的是雙層PCB板。設(shè)計(jì)PCB時(shí)，為了增強(qiáng)PCB板的穩(wěn)定性及抑制噪聲干擾的能力，采取了將模擬部分和數(shù)字部分區(qū)分開(kāi)來(lái)；各個(gè)芯片引腳周圍放置有大量的電容；頻率高的信號(hào)線走線要盡量的短等措施。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的液晶空間光調(diào)制器應(yīng)用到實(shí)際光路中，基于計(jì)算全息原理[8－10]，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了星形光束，驗(yàn)證了所制作的液晶空間光調(diào)制器滿足需要。

星形光束是指波前相位具有ψ＝πsin(mφ)分布的光束，式中m是光束參數(shù)，φ是方位角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果下圖所示。圖4為拓?fù)鋽?shù)m1與m2取值相同時(shí)的各種計(jì)算全息圖，圖5為采用m1與m2取值相同時(shí)的各種計(jì)算全息圖產(chǎn)生的星形光束。

圖4 在m1與m2取值相同條件下的計(jì)算全息

圖5 采用在m1與m2取值相同條件下的計(jì)算全息產(chǎn)生的星形光束

5 結(jié)論

本文成功地完成了液晶空間光調(diào)制器的硬件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能的驗(yàn)證。結(jié)果表明，該液晶空間光調(diào)制器通過(guò)與PC機(jī)相連，能夠清晰、實(shí)時(shí)的顯示計(jì)算機(jī)VGA接口輸出的視頻信號(hào)；同時(shí)也可以通過(guò)單片機(jī)模塊對(duì)相應(yīng)芯片的參數(shù)進(jìn)行在線修改，滿足不同應(yīng)用方式的需求。液晶空間光調(diào)制器成本低、使用方法簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、性能好，可滿足實(shí)驗(yàn)光學(xué)信息處理之用，具有重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值，在光信息處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］呂國(guó)皎,吳非,楊艷.液晶空間光調(diào)制器的研究[J].現(xiàn)代顯示,2009,104(9):46－49.

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［4］李萬(wàn)鵬.振幅型空間光調(diào)制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].大連海事大學(xué),2011:15－20.

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